实时以太网技术在航空电子系统中的应用

郭贺

【摘  要】随着科技的进步，我国的航空技术也得到了飞速的发展，实现了“质”的飞跃。随着航空电子技术的全面发展，对机载的航空电子数据传输网络的性能也提出了新的要求，因此原有的航空电子技术已无法满足航空技术发展的需要，所以采用以太网技术来实现对航空电子系统的实时通信则十分必要，解决以太网在传输信息时间的确定性是当前的首要任务。

【关键词】以太网技术;航空电子系统;实时

引言

随着计算机、通信、网络等信息技术的发展，信息的交换已经覆盖世界的各个领域，以太网实时控制技术的发展解决了工业现场设备间通信的确定性和实时性，这一技术的发展同样给航空电子系统的发展提供了有利条件。以太网是应用于工业现场设备间通信的开放网络技术，采用分段化系统结构和确定性通信调度控制策略，实现现场设备间的通信，广泛的应用于各个领域。以太网具有高效、稳定等优点，根据这些优势，可以对以太网进行适当地改造，以便实现在航空电子系统中的应用，更好的满足航空电子系统的发展需要。

1.以太网的概述

以太网是在20世纪70年代研制开发的一种计算机局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波多路访问和冲突检测机制，应用广泛。如今的以太网常指各种采用CSMA/CD技术的局域网，以太网的帧格式与IP一致，特别适合传输IP数据。以太网具有简单方便、价格低、速度高等优点。

2.传统以太网技术发展的现状

传统的以太网遵循IEEE802.3协议，采用的是CSMA/CD方式进行数据的传输，传输速率为10Mbps。在一个局域网内，只能同时有且只有一个客户端发送数据，具有限制性、不确定性和非实时性等缺点。随着网络的发展，传统标准的以太网技术已难以满足日益增长的网络数据流量速度需求，因此以太网实时控制技术应运而生，满足实时功能的要求，实现了工业企业综合自动化系统各层次信息的无缝连接，推动了工业企业的技术改造和提升，加快了信息化改造进程。

3.以太网在航空电子系统的不适应性

由于以太网采用CSMA/CD介质访问控制机制，因此具有通信“不确定性”的缺点。虽然在一定程度上避免了碰撞，但也存在着一定的局限性：

3.1以太网交换机的存储机制使通信延迟具有不确定性

通信延迟的不确定性主要来自于其排队延迟。无论采用哪种存储转发机制，当同时来自于多个端口的报文需要向同一个端口转发时，交换机就必须将这些报文进行排队缓冲，并依次转发。因此，交换机的缓冲池大小将直接影响了来自于某一端口的报文能否以及何时被成功转发。

3.2以太网交换机存在的“广播风暴”问题

在数据通讯网络中，人们广泛采用广播方式发送实时数据报文，在此过程中，同样会产生碰撞。

4.实现实时以太网的改造方法

4.1采用EPA网络

采用EPA网络，可以实现工业企业综合自动化智能工厂系统中从底层的现场设备层到上层的控制层、管理层的通信网络平台基于以太网技术的统一，即所谓的“E（Ethernet）网到底”。采用EPA，可实现工业企业智能工厂中垂直和水平两个方向的信息无缝集成：

通过EPA网络通信平台提供的实时数据通信服务，来自不同厂商的现场智能设备和应用程序可以实现信息透明互访和互可操作。

采用EPA网络，可以实现智能工厂中从管理层、控制层直至现场设备层等所有网络层基于以太网的信息无缝集成，用户可以在世界的任何地方通过其访问权限，直接通过常用的工具或软件访问智能工厂中的任何一个设备。

利用EPA开放网络平台，可以实现传统控制系统（如DCS、PLC）与基于EPA的现场总线控制系统FCS之间的信息无缝集成，使得工业现场设备中的大量控制和非控制信息能够无缝地传递到制造执行层和企业管理层系统，通过信息集成创新技术、数据综合利用技术、数据增值挖掘技术等，对工业企业生产全过程实现高效智能化管理。

4.2制定统一的高层协议，实现信号互通

所谓信号的互通，即两个需要互相通信的设备所采用的通信介质、信号类型、信号大小、信号的输入/输出匹配等几方面的参数符合同一标准，即物理层标准。在此基础上，采用统一的数据链路层协议，不同的设备就能连接在同一网络上实现互连。

如今，几乎所有的控制系统都采用了以太网、TCP/IP协议作为其通信网络，实现了设备的互连。但是，如果仅采用以太网、TCP/IP协议，而没有统一的高层协议（如应用层协议），不同设备之间还不能相互理解、识别彼此所传送的信息含义，就不能实现信息互通，也就不可能实现开放系统之间的互可操作。为此《EPA》标准为用户层应用程序定义了应用层服务与协议规范。

5.航空电子系统

航空电子是指飞机上所有电子系统的总和。一个最基本的航空电子系统由通信、导航和显示管理等多个系统构成。

5.1航空系统的智能化

新一代航空系统的特点是向智能化发展。当代的航空电子系统只能将各种数据提供给驾驶员，或者经过处理后给出引导性的指示信号，有时变换成易理解的直观图示方式，但最终的判定、决断要驾驶员给出，利用实时以太网可以完成收集数据、推理和判断并做出决断，可以直接给出控制指令，也可以向驾驶员提出处理建议，由驾驶员决断及实施控制，进而完成信息的实时通信。神经网络的研究也取得很大进展，应用到机载后可以使航空电子系统具有自学习和自适应能力，人工智能的方法可以在航空电子系统中找到很多应用，例如智能人机接口;本机完好情况监视及应急处理等。智能化系统使驾驶员从过量的任务负担中解脱出来，集中精力于高层次的判断，并可避免人脑在某些方面的能力不足。

5.2航空系統的通信

通信系统也许是航电系统中最先出现的，完善的通信系统航空电子的发展提供便利，飞机和地面的通信能力从一开始就是至关重要的。远程通信爆发式的增长意味着飞机必须携带着一大堆的通信设备。其中一小部分提供了关乎乘客安全的空地通信系统。以太网的存在刚好解决了这一问题，由于其具有速度快、成本低等优点，可以解决现代航空系统存在的问题，能够促进航空系统更好的发展。

5.3航空系统的数据总线

70年代以来，随着微电子、计算机、控制论的发展，使得航空电子系统的发展更为迅速。1980年美国专门制定了军用1553系列标准和ARINC系列标准，使数据总线更加规范化。目前自动化程度较高的军、民用飞机、如F-16、F-117、幻影2000、空中客机A340等都采用了数据总线技术。数据总线技术是我国航空电子系统设计中已有十几年的设计和使用经验。航空航天电子系统选用数据总线需要综合考虑通信速率、可靠性、抗干扰、兼容性、可扩展等要求。

6.结束语

数据总线是航空电子系统能够成功传递信息的关键，而传统的数据总线已经不能满足航空发展的需要。而以太网速度快，成本低等优点，以后必将广泛的应用于航空电子系统，满足航空电子系统的时代要求。但对于以太网真正应用到航空电子系统，还有一系列问题需要解决，建立迎合航空电子需要的以太网是我们工作的首要内容。

参考文献

[1]王骥，杨永田，徐光.确定性实时以太网在航空电子系统中的应用.航空电子技术.2006（3）.

[2]吉英杰.交换式实时以太网的实现方法.航空电子技术.2005（9）.

[3]刘明哲，徐铠冬，毕宇航.确定实时以太网通信协议研究.仪器仪表学报.2005（8）.